留声机工作原理：从锡箔到盒式磁带与 CD

对着留声机说话时会发生什么

在展台前站上几秒钟，你就能看到声音记录最早的办法。一个人形模型俯身对着小铁机器的传声口说话。传声口后面，薄薄的振膜随着声音颤动，固定在膜上的钢针压进包在滚筒上的锡箔。滚筒一边转动，一边沿螺杆横向移动，于是针尖在锡箔上留下螺旋轨迹。接着滚筒回到起点，另一根更轻的针沿着同一条轨迹运行，声音便从小号筒里传了出来。

留声机的工作原理就是这样：把空气的运动变成声槽的形状，再把声槽的形状变回空气的运动。本页其余的蜡筒、78 rpm 唱片、电唱头、磁带和 CD，都是对同样两个问题的不同回答。波形存在哪里，又怎样在不毁坏它的情况下把它读出来？

展台上有七种机器。用「机器」控件选择一种。「缩放」带你从整台机器看到唱针或磁头，再进入显微镜视图，那里显示的声槽、磁带上磁化的颗粒或 CD 凹坑，都来自你能听到的同一信号。「速度」改变介质经过唱针或磁头的快慢，读数会显示音高怎样变化。声音在你打开之前始终关闭；只有按下「录制我的声音」并允许使用麦克风，你自己的声音才会进入声槽。录制的内容不会离开本页。

声音是压力波

人声就是受到推拉的空气。声带每秒开合一百多次，每一股气流都会让嘴前的气压略微升高。升高的压力以声速向外传播，在室温空气中约为 343 m/s，随后是压力下降，再是下一次上升。处在这片空气中的麦克风、耳膜或留声机振膜，都会按同样的模式来回运动。

两个量就能描述一个简单的波。频率是压力每秒升降的次数，单位为赫兹（Hz）。波长是波在一次周期内传播的距离。速度把两者联系起来：

波长 = 速度 ÷ 频率

在空气中，1,000 Hz（1 kHz）声音的波长是 343 ÷ 1,000 = 0.343 m，差不多是双肩的宽度。本页会反复用到同一公式，因为每种录音介质都像是一段被放慢、凝固的空气。声槽以 0.5 m/s 经过唱针时，1 kHz 声音占据 0.5 ÷ 1,000 m = 0.5 mm 的声槽。盒式磁带以 4.76 cm/s 经过磁头时，同样的声音占据 47.6 µm 的磁带。

真实人声并非单一的音。声带产生约 100 至 250 Hz 的基频，口腔和咽喉的形状会增强其上方的某些谐波。这些被增强的频带叫作共振峰，它们让「啊」与「依」听起来不同。展台里的语句也在浏览器中以同样方式生成：用每个元音的 3 个共振峰塑造约 120 Hz 的嗡鸣。它不是任何人的录音，因此不涉及这类录音的版权。

1877 年的锡箔留声机

根据罗格斯大学的 Thomas A. Edison Papers，爱迪生在 1877 年 7 月研究电话送话器时想到了记录声音。他在实验笔记中描述了一种电话振膜，振膜上的压印针抵着快速移动的石蜡纸，并写道振动被「很好地压印下来」。随后几个月，他重新研究这个想法，到 11 月底已有基本设计。

第一台留声机是在长轴上安装带槽的圆筒。轴上每英寸有 10 扣螺纹，由手摇曲柄驱动。爱迪生没有使用石蜡纸，而是在圆筒上包一片锡箔作为记录表面。机械师 John Kruesi 在 1877 年 12 月的第一周把机器造了出来。完成后，爱迪生铺上锡箔，录下童谣《Mary Had a Little Lamb》。Edison Papers 指出，第一台留声机的录音和重放机构是分开的，后来的设计才将二者合并。

专利很快获批。改进留声机或说话机器的美国专利 200,521 于 1878 年 2 月 19 日授权。机器在美国和欧洲广泛展出，让爱迪生以「门洛帕克的魔术师」闻名。科学家也确实对它感兴趣，并用它研究声学。

但 Edison Papers 毫不含糊地指出它的局限：锡箔录音从未完全令人满意，爱迪生又花了十年才推出商用机器。锡箔会撕裂，取下后无法原位装回滚筒，针每经过一次，压痕就会变平一点。在展台上试试。把「播放次数」设为 10，再播放锡箔录音：声槽变浅，声音变小、变闷，噪声则变大。

为什么每英寸用 10 扣螺纹？曲柄每转一圈，滚筒就横移一个螺距，所以声槽以 25.4 ÷ 10 = 2.54 mm 的间距盘旋。这足够宽，钢针可以自行沿槽走。机器没有唱臂，除了自己刻出的槽，没有任何东西引导唱针，因此这一点很重要。

早二十年：斯科特的声波描记器

爱迪生并不是第一个记录声音的人。美国国家公园管理局的 Thomas Edison National Historical Park 如今明确指出，声音记录被发明过两次：先是法国的 Édouard-Léon Scott de Martinville 在 1857 年发明，20 年后则是爱迪生。

斯科特的声波描记器把膜片的振动画在熏黑的纸上，纸包着手摇圆筒。它的目的是观察声音，而不是让人再次听见。没有人能重放这种声波描记图，因此长达一个半世纪，都无法证明那些线条中包含可以辨认的声音。

2008 年，First Sounds 的研究人员在法国档案馆找到斯科特保存下来的记录，并用劳伦斯伯克利国家实验室开发的光学扫描方法把它们变成声音。First Sounds 解释说，音叉起了很大作用。1860 年，斯科特在录音旁边同时画下一支 250 Hz 音叉的振动轨迹，提供了时间标尺：音叉波纹挤在一起的地方，说明圆筒转得慢，可以据此把声音拉回真实速度。1857 年的记录没有这样的轨迹，手摇速度又变化太大，因而无法辨认其中的旋律。

最著名的成果是 1860 年 4 月 9 日记录的《Au clair de la lune》。First Sounds 称它为迄今恢复的最早且清晰可辨的人声记录。1860 年 4 月对 Ducis 的《Othello》的朗诵，是能以准确原速播放的最早口语记录。1859 年一支 435 Hz 音叉的描记图，则是目前重现的最古老且可辨认的声音。

展台的第一个场景采用爱迪生的机器，因为它是第一台能播放自身录音的机器。控件下方列表中的斯科特案例则打开显微镜，因为声波描记图更像声槽的图画，而不是真正的声槽。

声槽怎样保存波形

用显微镜观察锡箔声槽。声音把振膜向内推时，针尖压得更深；压力下降时，针尖上升。因此，声槽在滚筒上的行进路线不变，深度却随声音起伏。收藏者把这称为山谷式，或纵向刻录。爱迪生的圆筒始终采用这种方式。

另一种保存同一波形的方法，是让深度不变，让声槽横向摆动。埃米尔·贝利纳的圆盘留声机采用这种横向刻录；耶鲁大学图书馆的 78 rpm 唱片指南指出，到约 1920 年，它已成为唱片的常规做法。在展台上，圆盘留声机和电唱机显示横向声槽：槽壁高度不变，路径左右弯曲，把唱针推向左右两侧。

无论哪一种，录音都是沿着一条线写下的波本身。线与时间的关系由表面线速度决定，即每秒有多少米声槽经过唱针。对圆筒来说，表面线速度等于周长乘以每秒转数。模型的锡箔滚筒直径为 101.6 mm，转速约为 60 rpm（两者都是模型数值，因为原机用手摇动），所以

v = π × 0.1016 m × 60 ÷ 60 s = 0.319 m/s

在这一速度下，1 kHz 声音的一个周期占据 0.319 ÷ 1,000 m，即 319 µm 的锡箔。10 kHz 声音则只占 31.9 µm，比钝钢针在锡箔上压出的痕迹能保存的细节还细。这是锡箔声音发闷的一个原因：介质无法承载高音的短波。

显微镜显示的声槽长度严格对应图注，读数中的波形就是此刻唱针下方的信号。把「慢动作」设为放慢 100 或 1,000 倍，就能看到声槽形状从针尖下滑过。在锡箔滚筒上，10 mm 锡箔保存 10 ÷ 319 s，也就是 31 ms 的声音。

蜡取代锡箔

Edison Papers 记载，爱迪生早期出售锡箔留声机的尝试失败了；1880 年代中期，亚历山大·格雷厄姆·贝尔和 Charles Sumner Tainter 展示蜡筒录音机，才使他重新投入声音记录研究。贝尔、他的堂兄弟 Chichester Bell 与 Tainter 在华盛顿以 Volta Laboratory Associates 的名义合作。他们的机器叫作 graphophone，不再往锡箔上压痕，而是把槽刻进蜡里。刻录会切掉一条细细的材料，留下干净、耐用、可以多次播放的声槽。

1887 至 1889 年间，爱迪生和助手开发出改进的留声机与蜡筒，技术上优于 graphophone。但它们因采用电动机而价格昂贵、操作困难，因此仅在口述记录机市场获得有限销路。爱迪生也曾尝试出售内置小留声机的会说话玩偶，但它太容易损坏。

留声机以另一种方式找到了第一批真正的听众。1890 年代，代理商在口述留声机上加装投币口，开设留声机听音室，顾客花五美分就能听一段录音。该年代后期，廉价的发条留声机出现，爱迪生的公司也改进了复制唱筒的方法。此后约十年间，它一直引领行业。

UCSB Cylinder Audio Archive 把 1895 至 1901 年的棕蜡筒称为首批大规模商业销售的录音。录制转速约在 120 至 160 rpm 之间变化；由于筒上只写编号，产品附有标明录音名称的纸条。多数纸条已经遗失。因此，几乎所有商业棕蜡筒都在开头口头报出曲名和表演者。棕蜡空白筒也能重复使用：削掉旧声槽即可。爱迪生声称一个空白筒最多可重复使用 100 次。该档案馆将其比作可重写光盘。

复制是弱点。直到 1902 年，表演者仍需对着几个录音号筒反复演唱同一首歌，而每次表演只能产生一小批唱筒。

圆筒上的数字

1902 年，爱迪生引入 Gold-Moulded 工艺。先用蜡母筒制作金属模具，再把空白筒置于模内加热，使它膨胀并贴合声槽。名称来自用于使母筒导电的微量金。重放速度统一为 160 rpm，声槽间距仍为每英寸 100 扣。UCSB 指出，每英寸 100 扣的圆筒在 160 rpm 下能播放约 1.5 至 2.5 分钟，所以它们以两分钟唱筒销售。

模型的蜡筒直径为 55.6 mm（2 3/16 in），沿筒身的播放长度取为 4 in。于是：

• 圈数 = 每英寸 100 扣 × 4 in = 400 圈
• 播放时间 = 400 ÷ 160 rpm = 2.5 min
• 表面线速度 = π × 0.0556 m × 160 ÷ 60 s = 0.466 m/s
• 声槽长度 = 400 × π × 0.0556 m = 69.9 m

1 kHz 声音占据 0.466 ÷ 1,000 m = 466 µm 的声槽。值得注意的是那个不变的数值。圆筒在声槽起点与终点的直径相同，因此声槽始终以 0.466 m/s 经过唱针。圆盘做不到这一点，下文会说明。

1908 年，爱迪生把声槽密度翻倍。Amberol 唱筒每英寸有 200 扣，能播放约 4 分钟。它需要新唱针，旧机器必须改装。1912 年，两分钟和四分钟蜡筒产品线都告终，爱迪生转用 Blue Amberol，这是一种具有相同 4 分钟声槽的赛璐珞唱筒。赛璐珞掉到地上不会碎裂。UCSB 又指出一个转折：此后一个世纪的收缩和变形，使许多 Blue Amberol 难以播放，如今听起来往往比被它们取代的蜡筒还差。

其他厂商尝试了更大或不同的唱筒。Concert 唱筒自 1898 年末销售，直径为 5 英寸，是标准尺寸的两倍多，声音更响。它们起初以 120 rpm 录制，1899 年末改为 144 rpm，1902 年初改为 160 rpm；每只售价 $4 至 $5，而标准唱筒为 35 至 50 美分。法国钟表匠 Henri Lioret 在 1893 年制作了装有小赛璐珞唱筒的会说话玩偶，随后又制作自己的耐用赛璐珞音乐唱筒，以 100 或 120 rpm 播放，容量从 30 秒到 4 分钟不等。

贝利纳的平面唱片

出生于德国、在华盛顿工作的发明家埃米尔·贝利纳，在尝试另一条道路之前研究过留声机和 graphophone。Library of Congress Information Bulletin 描述了他怎样从圆筒转向双面平板锌唱片，由针尖描出螺旋声槽。1887 年 11 月 8 日，他用于记录和重放声音的圆盘留声机获得美国专利 372,786。

平面唱片有一个巨大优势。圆筒必须从母筒复制；模压工艺出现前，这意味着重新录制或通过号筒转录。唱片则可以压制。只需制作一次母版的金属负模，就能压出数千张相同唱片。Library of Congress 的文章指出，平面唱片可以用远低于爱迪生唱筒的成本量产。贝利纳从一开始就把圆盘留声机视为家庭娱乐机器，而其他人把留声机看作办公室口述记录工具。

道路并不平坦。1889 年赴德国时，贝利纳与一家玩具公司达成协议，制作小型玩具唱片和手摇唱机。回美国后，他先在华盛顿成立 American Gramophone Company，随后成立 United States Gramophone Company。为了保持均匀速度，他与新泽西州卡姆登的 Eldridge R. Johnson 机械厂合作制造发条驱动的机器。同一文章还把在唱片上贴标签的主意归于 Johnson。展台圆盘留声机唱片中央的纸标签是一个隐藏发现，机柜上的发条钥匙也是。

1897 年 9 月 29 日，贝利纳在华盛顿的工厂发生火灾。随后出现专利纠纷和竞争者仿制，1900 年 6 月，一项法院禁令迫使费城的 Berliner Gramophone Company 关闭。贝利纳把专利权转交 Johnson，后者成立 Victor Talking Machine Company，贝利纳保留财务权益。

唱片为什么胜出

唱片容易上架存放、容易邮寄，也容易成千张制造，容纳的音乐还略多于两分钟唱筒。UCSB 的 Blue Amberol 历史指出，到 1912 年，爱迪生最强劲的对手是已停止制造唱筒的 Victor Talking Machine Company 与 Columbia Phonograph Company。耶鲁的指南概括了结果：到 1910 年代，平面唱片已成为录音的主要介质。爱迪生则让 Blue Amberol 延续到 1929 年。

爱迪生也制造自己的唱片。爱荷华州立大学博物馆收藏一台 Edison Diamond Disc 留声机，描述其唱片厚 1/4 in，由黏土和虫胶制成，用真正的钻石播放。Diamond Disc 系列从 1912 年延续到 1929 年。和爱迪生的唱筒一样，它的声槽采用纵向山谷式刻录，而非横向摆动。

圆筒有唱片没有的优势：从头到尾保持相同声槽速度。唱片外圈远长于内圈，但每圈播放时间相同。唱针向内移动时，声槽速度下降，标签附近的高音被挤在更短的槽段中。打开圆盘留声机的显微镜，观察唱臂向内移动时的读数。表面线速度下降，1 kHz 的一个波所占的声槽长度也下降。

78 转唱片上的数字

早期唱片速度差异很大。耶鲁指南说，录制和播放速度在统一为 78 rpm 之前介于 72 至 86 rpm；到 1910 年，大多数唱片已采用约 78 至 80 rpm。1925 年，电动唱机选定 78.26 rpm 为标准，因为常见的 3,600 rpm 电动机配合 46 齿齿轮可得到

3,600 ÷ 46 = 78.26 rpm

同一指南给出的单面播放时间为：10 英寸唱片约 3 分钟，12 英寸唱片约 4 至 5 分钟。模型的 10 英寸圆盘留声机唱片，声槽覆盖半径 117 mm 至 50 mm，密度为每英寸 96 条。这三个数是选取的典型模型值，并非某一张唱片的实测值，因此以下结果是估算：

• 圈数 = (117 − 50) mm ÷ 25.4 mm × 96 = 253 圈
• 播放时间 = 253 ÷ 78.26 rpm = 3.2 min
• 外缘声槽速度 = 2π × 0.117 m × 78.26 ÷ 60 s = 0.96 m/s
• 终点声槽速度 = 2π × 0.050 m × 78.26 ÷ 60 s = 0.41 m/s
• 声槽长度 ≈ 253 × π × (0.117 + 0.050) m = 133 m

3.2 分钟与耶鲁给出的约 3 分钟一致。外缘处，1 kHz 声音占据 959 µm 声槽；靠近标签时则占 410 µm。电唱机的 12 英寸唱片在模型中取半径 146 mm 至 60 mm，得到 325 圈、4.2 分钟，外缘速度为 1.20 m/s，终点降为 0.49 m/s。耶鲁给出的 4 至 5 分钟也相符。

为什么这么短？78 转唱片的声槽很宽，因为虫胶槽中的钢针需要空间，而且唱片转得快。1948 年的密纹唱片保留圆盘形式，却采用细声槽和 33⅓ rpm；黑胶唱片展品接着讲述这一部分。

号筒与声学录音

1925 年之前，唱片的制作和播放完全不使用电。耶鲁指南的描述是：表演者对着大号筒演唱或演奏，声音自身的能量让录音刻针振动，切刻蜡母版。重放时方向相反。声槽带动唱针，唱针带动音盒中的云母振膜，号筒再把振膜的运动传入房间。

号筒是匹配装置。直径几厘米的振膜很难推动大量空气，单独发声时既单薄又微弱。号筒狭窄的喉部让振膜有力地推动一小柱空气，逐渐扩张的形状则把这股推动传给越来越宽的空气柱，直到抵达房间。号筒越长、越宽，能传出的音就越低。因此，展台的圆盘留声机装有直径半米的花形号筒，历史上的号筒也曾大到占据客厅一角。

声学录音的弱点是范围。耶鲁指南指出，声学录音从未达到高保真，动态范围也有限。极轻和极响的声音无法兼顾，深低音不足以推动刻针，而为了平衡合奏，歌手必须按需要站得靠近或远离号筒。

展台上圆盘留声机的声音带宽被限制在约 200 Hz 至 5 kHz，并加入表面噪声和爆裂声。这些是为了让人听出与后期机器差异而选取的模型值，并非某张唱片的测量结果。

1925 年起的电气录音

1925 年，麦克风登场。耶鲁指南解释，从此表演者对着麦克风唱歌，放大器把微弱电信号变强，再用它驱动刻针。这种唱片称为电气录音唱片，第一张在 1925 年发行。耶鲁还指出，1947 年磁带出现、录音先录到磁带再刻成唱片后，通常就不再使用这一术语。

电改变了两端。录音时，麦克风无需表演者对着号筒大声发声，因此可以在正常距离录下整个管弦乐团，放大器也能增强原本微弱到无法刻录的低音。在家中，电唱机用 3 个部件取代号筒：把唱针运动变成电压的唱头、用真空电子管增大电压的放大器，以及推动空气的扬声器。展台的电唱机具备这三者。打开「查看内部」，就能看到发光的电子管和格栅后面的纸盆。

动力也变了。发条会逐渐松弛，调速器只能近似保持转速。与电网频率关联的电动机能保持准确速度，再由齿轮设定唱片转速。这就是 3,600 ÷ 46 的来源：电动机以 3,600 rpm 运转，在 60 Hz 电源下每秒转 60 圈，再配一个 46 齿齿轮。齿轮是电唱机转盘下的隐藏发现之一。

展台模型电唱机的声音带宽限制为约 90 Hz 至 7 kHz，这一模型值让它比声学圆盘留声机丰满，又比磁带窄。

速度与音高

展台上所有模拟机器都遵循同一规律。播放速度高于录制速度时，所有频率按相同比例升高。以两倍速度播放，440 Hz 就变为 880 Hz，升高一个八度。用音乐术语表达，半音变化量为

半音数 = 12 × log₂(播放速度 ÷ 录制速度)

用这一公式计算几个例子：

• 78.26 rpm 唱片以 80 rpm 播放：12 × log₂(80 ÷ 78.26) = 升高 0.38 个半音。早期唱片录制速度为 72 至 86 rpm，因此用固定速度播放会略微走调。
• 78.26 rpm 唱片以 33⅓ rpm 播放：12 × log₂(33.333 ÷ 78.26) = -14.78 个半音，降低超过一个八度，速度也变慢。
• 盒式磁带快 6 %：12 × log₂(1.06) = 升高 1.01 个半音。
• 两倍速度：12 × log₂(2) = 12 个半音，正好一个八度。

试试「速度」控件。设为 43 % 时，读数约为 -14.6 个半音，接近把 78 转唱片放在设为 33⅓ 的唱机上的效果。播放时间随速度反向变化：一面在 100 % 下播放 3.2 分钟，在 43 % 下可播放 3.2 ÷ 0.43 = 7.4 分钟。

这也是手摇锡箔留声机需要飞轮、唱筒和唱片机器的发条驱动需要调速器的原因。速度波动百分之几，就会使音高波动几分之一个半音，耳朵能听出来，尤其是持续长音。磁带机的主导轴也有同样问题，听众把慢的波动叫作晃音，把快的波动叫作抖音。

CD 是例外。在展台上改变它的电动机速度，音高仍保持不变。原因见 CD 为什么保持音高一节。

磁性录音：钢丝、纸和磁带

声槽不是唯一思路。Library of Congress 的 National Recording Preservation Plan 中的文章《A Tale of Tape》，把磁性录音追溯到美国工程师 Oberlin Smith 在 1878 年的一篇文章。第一台可工作的机器是丹麦的 Valdemar Poulsen 在 1898 年制造的 telegraphone，它将移动的钢丝磁化。文章说，钢丝录音从未达到很高的保真度，但它是重大突破，并沿用了许多年。钢丝容易缠结、断裂，也难以剪辑。

1927 年，德国发明家 Fritz Pfleumer 把先前将金粉熔附到卷烟纸上的经验，用来给纸涂磁粉。他在 1928 年为这种录音纸取得专利，1932 年授权电气公司 AEG 使用。AEG 围绕长卷磁带制造录音机；Library of Congress 的文章说，AEG 于 1935 年柏林无线电展展示了首台实用磁带录音机 Magnetophon K1。到 1930 年代末，德国磁带已由纸基改为塑料基。

资料在细节上存在分歧，展台也标明了这一点。Manfred Krause 在 2002 年 Audio Engineering Society 大会论文中，把 1935 年展出的型号写作 K2，而非 K1。这两份资料对下一步高频偏磁也有差异：Krause 的论文认为它用于 1940 年的 K4 型，而 Library of Congress 文章则归功于 1941 年在德国工作的 Walter Weber。文章补充说，W. L. Carlson 和 G. W. Carpenter 在 1921 年已于美国申请类似专利，1927 年获批；Marvin Camras 也在 1941 年为高频偏磁取得专利。控件下方的案例列表把日期列为约 1940 至 1941 年。

第二次世界大战后，美国陆军通信兵军官研究德国机器，John T. Mullin 带回了 2 套 Magnetophon 走带机构。磁带可以擦除、重新录音、用刀切开再拼接，因此录音第一次能够剪辑。耶鲁指南把唱片制作采用磁带的时间定为 1947 年。展台盘式磁带机上的拼接点是一个隐藏发现。

磁头怎样写入和读取

磁带录音机把声音以磁性的形式存进塑料带上涂覆的微小氧化铁颗粒中。录音磁头是缠有线圈的软铁环，前端有很窄的缝隙，磁带在这里与它接触。麦克风放大器的电流流过线圈，产生的磁场从缝隙漏入磁带。磁带经过时，每一段都保留了当时磁场的方向和强度所对应的磁化状态。

重放磁头形状相同。磁化的磁带经过缝隙时，变化的磁场穿过铁环，在线圈中感应出微小电压。展台盘式磁带机上方的显微镜，用红蓝两色显示颗粒随磁头下方的信号转向北或南。

波长再次决定极限。在磁带上，波长等于带速除以频率：

• 盘式磁带以 19.05 cm/s 运行：1 kHz 占 0.1905 ÷ 1,000 m = 190.5 µm，10 kHz 占 19.05 µm
• 盒式磁带以 4.76 cm/s 运行：1 kHz 占 47.6 µm，10 kHz 占 4.76 µm

要重放一个波，磁头缝隙必须窄于约半个波长，因此盒式磁带在 10 kHz 下的 4.76 µm 波长，要求缝隙约为几微米。慢速磁带需要非常精细的磁头和颗粒，这就是盒式磁带经过多年改进后才被用于音乐、录音室采用 38.1 cm/s 等更高带速的原因。

磁性颗粒对弱磁场的反应并不成比例。它们会抵抗微小变化，随后突然整体翻转，这叫磁滞。直接录制时，轻声会失真并被噪声淹没。高频偏磁解决了这一问题。在录音磁头中，把远高于听觉范围的音加到信号上。它使颗粒极快地来回摆动，最终按叠加其上的音频信号成比例地稳定下来。偏磁频率本身高到听不见，重放磁头也不会把它重放出来。消磁头则用更强的同类高频磁场，打乱磁带原有内容。

决定速度的是主导轴，而不是带盘。随着卷带增多或减少，带盘转得更快或更慢，因此磁带被夹在准确转速的钢制主导轴与橡胶压带轮之间。在展台上看盘式磁带机的收带盘：起初卷带少时转得快，逐渐装满后就变慢。

盒式磁带

Philips Museum 根据公司档案讲述了这段历史。1961 年，比利时哈瑟尔特的飞利浦录音机研发组接到任务，要制造小型电池录音机及其磁带盒，取代当时家庭常见的盘式录音机。产品开发负责人是 Lou Ottens。他决定易用性第一：不论年轻年长，即使手最笨的人也得会用。其次是尺寸。Ottens 让人切了一块能放进外套口袋的木块，其大小决定磁带盒和录音机的尺寸。木块是展台上的隐藏发现，放在便携录音机旁。

Philips Pocket Recorder EL 3300 及其磁带盒于 1963 年在柏林 Internationale Funkausstellung 首次展出。随后飞利浦免费授权其他厂商使用盒式磁带系统，条件是遵守其技术规则。据 Philips Courier 报道，到 1967 年 9 月，全球已有 70 家公司生产基于这一系统的盒式录音机。它在超过 35 年间一直是重要声音载体，并成为使用最广泛的家庭录音系统。

外壳内部无需穿带。两个带芯承载磁带，磁带沿前缘经过开口，磁头、主导轴和压带轮从这里伸入。弹簧上的毡垫从后方把磁带压向磁头。IIT Kanpur 的盒式录音机课程讲义给出的带速是每秒 1.875 英寸，即 4.76 cm/s，靠压带轮把磁带压在主导轴上维持：压力过小会打滑，过大则可能压坏磁带。

C60 磁带每面容纳 30 分钟。在 4.76 cm/s 下，需要

30 min × 60 s × 4.76 cm/s = 8,568 cm = 85.7 m 磁带

模型的带宽为 3.81 mm，外壳尺寸为 100.4 × 63.8 × 12 mm，两个带芯相距 42.5 mm。这些都是模型采用的尺寸。

CD 光盘

盒式磁带仍在发展时，飞利浦已开始研究下一种载体。根据 Philips Museum，它与索尼于 1982 年 11 月先在日本推出 CD，4 个月后在欧洲和美国推出。系统结合两种技术：用激光进行光盘光学读取，以及信号的数字编码和处理。音频格式标准是 IEC 60908，数据光盘版本由 Ecma International 免费发布的 ECMA-130 描述。

CD 不存储波形本身。它在 2 个声道上各自每秒测量波形 44,100 次，把每次测量写成 16 位数字，再存下这些数字。斯坦福大学 CCRMA 的 J. O. Smith 讲义解释了采样定理：给定采样率下，只要信号中没有超过采样率一半的频率，就能精确重建信号。44,100 的一半是 22,050 Hz，高于多数成年人的听觉上限。原始音频数据率为

44,100 × 16 bit × 2 = 1,411,200 bit/s

数字被编码为压在塑料中的凹坑图案，从光盘下方透过盘体读取。ECMA-130 规定螺旋轨道间距为 1.6 µm ± 0.1 µm，扫描速度在 1.2 至 1.4 m/s 之间，通道位速率为 4.3218 Mbit/s。它还规定，从凹坑变为平面或从平面变为凹坑代表 1，没有变化则代表 0。编码把凹坑和平面的长度限制在 3 至 11 个通道位之间。一个通道位持续 1 ÷ 4.3218 MHz = 231.4 ns，因此在 1.2 m/s 下：

• 最短凹坑 = 3 × 231.4 ns × 1.2 m/s = 0.833 µm
• 最长凹坑 = 11 × 231.4 ns × 1.2 m/s = 3.054 µm

在 1.4 m/s 下，长度为 0.972 µm 和 3.563 µm。展台显微镜显示相邻 3 条凹坑轨道和激光光斑，在「慢动作」设置之外再放慢 1,000 倍滚动，因为在 1.3 m/s 下，视野中的 8 µm 只需约 6 µs 就会经过。

ECMA-130 还指出，从激光一侧看，光盘逆时针转动时，轨道向外盘旋。CD 从中心向外缘播放，与唱片相反。这也是控件下方一张纠偏卡的内容。

CD 为什么能保持音高

唱机播放得更快时音高会升高，因为声槽就是波形，你让波形更快地通过唱针。CD 机不同。光盘调整转速，使轨道始终以 1.2 至 1.4 m/s 的恒定速度经过激光，所以靠近中心时电动机转得快，靠近边缘时转得慢。在 1.3 m/s 下：

• 半径 25 mm 处：1.3 ÷ (2π × 0.025 m) × 60 = 497 rpm
• 半径 58 mm 处：1.3 ÷ (2π × 0.058 m) × 60 = 214 rpm

从光盘读出的数字进入小型存储器，由晶体时钟以每声道每秒准确 44,100 个的速度送往转换器。如果光盘转得稍快，存储器会变满，播放器便降低电动机转速。输出端不受光盘速度影响，因此音高不会随之变化。

展台上，把 CD 机「速度」设为 150 % 会让光盘转得更快，但读数显示音高不变，声音也不变。状态栏说明了原因。

轨道很长。以 1.2 至 1.4 m/s 读取的 74 分钟光盘，包含 74 × 60 × 1.2 = 5,328 m 至 74 × 60 × 1.4 = 6,216 m 的螺旋轨道，即 5.3 至 6.2 km。按 1.6 µm 轨道间距，从半径 25 mm 到 58 mm 的环带可容纳 (58 − 25) mm ÷ 0.0016 mm = 20,625 圈。74 分钟、1,411,200 bit/s 的立体声音频，在纠错前占 74 × 60 × 1,411,200 ÷ 8 = 约 783,200,000 字节。

一面能容纳多少

控件下方的表格根据输入参数计算每种机器。简要结果如下：

• 锡箔：约 60 rpm 下 40 圈，约 0.7 分钟（估算）
• 蜡筒：160 rpm 下 400 圈，2.5 分钟
• 10 英寸 78 转唱片：78.26 rpm 下 253 圈，约 3.2 分钟（估算）
• 12 英寸电气录音 78 转唱片：325 圈，约 4.2 分钟（估算）
• 盘式磁带：548.6 m（1,800 ft）磁带，以 19.05 cm/s 运行，48 分钟
• C60 盒式磁带：85.7 m，以 4.76 cm/s 运行，每面 30 分钟
• CD：74 分钟

两点很明显。首先是波长的作用。78 转声槽以约 1 m/s 经过唱针，却只能容纳 3 分钟；盒式磁带慢 20 倍，却能容纳 30 分钟，因为磁带能保存短 20 倍的波。其次，CD 的表面线速度 1.3 m/s 比所有声槽都快，却容纳 74 分钟，因为轨道间距是 1.6 µm 而非 265 µm，而且存储的是数字而非波形。

盘式磁带的结果来自 7 英寸带盘所装 1,800 ft 磁带：548.6 m ÷ 0.1905 m/s = 2,880 s = 48 分钟。盒式磁带的结果是 C60 每面 30 分钟，需要上文算出的 85.7 m。锡箔则是 40 圈 ÷ 60 rpm = 0.67 分钟。

不接触声槽也能听到声音

唱针会磨损它播放的东西，裂开的蜡筒或纸板上覆蜡的唱片，可能连再播放一次都承受不了。自 2000 年代初，劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家开始改用光读取声槽。这种称为 IRENE 的方法对声槽进行高分辨率光学扫描，计算唱针在其中会如何运动，再把运动变成声音文件，并在过程中去除划痕和跳针的影响。

Berkeley Lab Engineering Division 描述了该项目如何在 20 多年前与 Library of Congress 合作启动。早期一项工作将加州大学伯克利分校 Phoebe Hearst Museum of Anthropology 收藏的 3,000 多份美洲原住民蜡筒录音数字化。团队随后转向 Smithsonian's National Museum of American History 收藏的约 200 份 1880 年代亚历山大·格雷厄姆·贝尔 Volta Laboratory 实验录音，其中一些是在装订纸板上涂的薄蜡层。一张唱片保存着贝尔本人的声音。2025 年，团队使用语音识别程序，帮助转写一张严重开裂的 Volta 唱片，此前没有人能够辨清其中的词句。

普通录音的保存是更大的任务。Council on Library and Information Resources 与 Library of Congress 于 2010 年发布全国研究《The State of Recorded Sound Preservation in the United States》，2006 年的报告《Capturing Analog Sound for Digital Preservation》则说明如何安全转录模拟声音。Library of Congress 自己的音频材料养护指南涵盖唱片和磁带的保存与拿取。

数字光盘也需要养护。NIST 与 Library of Congress 在高温高湿下加速老化可录 CD 和 DVD，并于 2005 年以 NIST Special Publication 500-263 发布研究；该图书馆的保护科学家也继续研究 CD 寿命。

模型与真实机器有何不同

展台展示每种机器的原理，部分部件有所简化。

• 锡箔滚筒的 101.6 mm 直径、60 rpm 转速及 4 in 播放长度都是模型值。原机以操作者选择的速度手摇运行。
• 唱片半径和 78 转唱片每英寸 96 条声槽是典型模型值。真实 78 转唱片随厂家和年份不同。
• 显微镜根据你听到的同一信号绘出声槽、颗粒与凹坑，并夸大振幅以便看清形状。显示长度等于图注所述长度，深度与宽度不采用相同比例。
• 磁带颗粒被画得比实际大得多、少得多，真实颗粒长度远小于一微米。
• CD 显示长度为 3 至 11 个通道位的凹坑和平面，但使用随机图案，不是真正编码的音频。纠错、八到十四调制和聚焦伺服被省略。
• 声音在浏览器中生成：带通滤波、少量噪声与爆裂声，再改变速度。频带边界与噪声水平是为了清楚呈现差异而选取的模型值，并非实测值。
• 第一个场景在 6 秒内运行锡箔螺旋的四分之一，便于看清转动。